DE10329195A1 - Slide for fluorescence-based analytical apparatus employing bio-specific sensor chips, comprises a dielectric substrate with a layer containing metallic particles on the surface - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Objektträger für fluoreszenzbasierte Analysegeräte und betrifft das Problem der geringen Lichtausbeute, d. h. das in der Regel sehr kleine Verhältnis der abgestrahlten zu den eingefangenen Photonen.The The invention relates to a slide for fluorescence-based analyzers and relates the problem of low light output, d. H. that usually very small ratio the radiated to the captured photons.
Bei der Untersuchung der Fluoreszenz von Objekten, beispielsweise von mit Fluoreszenzmolekülen – sogenannten Fluorophoren, Licht spezifischer Wellenlängen absorbierende und als Fluoreszenz abgebende Moleküle – markierten Proben in der Fluoreszenzmikroskopie oder -spektroskopie, oder beim optischen Auslesen von fluoreszenzbasierten, biospezifischen Sensorchips besteht prinzipiell das Problem, daß nur sehr wenig von dem eingestrahlten Anregungslicht. von den Fluorophoren absorbiert und in Fluoreszenz umgewandelt wird.at the investigation of the fluorescence of objects, for example of with fluorescence molecules - so-called Fluorophores, absorbing light of specific wavelengths and as Fluorescent emitting molecules - labeled Samples in fluorescence microscopy or spectroscopy, or at Optical reading of fluorescence-based, biospecific sensor chips Basically there is the problem that only very little of the incident excitation light. absorbed by the fluorophores and converted to fluorescence.
Im Stand der Technik wird dieses Problem dadurch gelöst, daß man Detektierungsoptiken mit hohen numerischen Aperturen verwendet. Neben hohen Herstellungskosten muß man dabei den Nachteil eines kleinen Bildfeldes, einer geringen Schärfentiefe und eines geringen Arbeitsabstandes in Kauf nehmen. Bei optoelektronischer Detektierung kann man alternativ auch die Integrationszeit erhöhen, um die notwendige Anzahl von Fluoreszenzphotonen zu registrieren. Dies erhöht allerdings den Zeitaufwand für eine Messung. Außerdem ergibt sich das zusätzliche Problem, daß das – weder spektral noch räumlich vollständig unterdrückbare – Anregungslicht zu einem störenden Untergrundsignal führt. Ebenso störend macht sich die Eigenfluoreszenz von Substraten, d. h. Objektträgern, und Optiken bemerkbar. Zur Anregung der Fluoreszenz werden die Objekte mit Licht von Quecksilberhöchstdrucklampen beleuchtet, deren Leistung in der Regel 100 Watt nicht überschreitet. Theoretisch denkbar wäre eine Steigerung der Lampenleistung um ca. 5 bis 6 Größenordnungen, bis eine Anregungssättigung der Fluorophore erreicht ist; dieser Ansatz ist jedoch aufgrund der hohen zu erwartenden Wärmeentstehung nicht praktikabel.in the In the prior art, this problem is solved by using detection optics used with high numerical apertures. In addition to high production costs you have to The disadvantage of a small field of view, a shallow depth of field and to accept a small working distance. With optoelectronic Alternatively, you can increase the integration time to detect to register the necessary number of fluorescence photons. This elevated but the time required for one Measurement. Furthermore there is the additional problem that that - neither spectrally still spatially completely suppressible - excitation light to a disturbing Background signal leads. Just as disturbing the intrinsic fluorescence of substrates, i. H. Slides, and Optics noticeable. To excite the fluorescence become the objects with light from mercury high pressure lamps illuminated, the power usually does not exceed 100 watts. Theoretically conceivable would be an increase of the lamp power by approx. 5 to 6 orders of magnitude, until an excitation saturation the fluorophore is reached; However, this approach is due the high expected heat generation not practicable.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, daß die Bestrahlung von Metallteilchen, mit sichtbarem Licht zu einer Verstärkung des elektromagnetischen Feldes um das Metallteilchen herum führt, wenn die Dimensionen der Metallteilchen klein im Verhältnis zur Wellenlänge des zur Bestrahlung verwendeten Lichts sind. Dies ist im Detail beispielsweise bei A. Wokaun, „Surface enhancement of optical fields – Mechanisms and applications", Molecular Physics, 1985, Vol. 56(1), Seiten 1–33 beschrieben.Out The prior art also discloses that the irradiation of metal particles, with visible light to amplify the electromagnetic Field around the metal particle leads around when the dimensions of the Metal particles small in proportion to the wavelength of the light used for irradiation. This is in the detail for example, in A. Wokaun, "Surface enhancement of optical fields - Mechanisms and applications ", Molecular Physics, 1985, Vol. 56 (1), pages 1-33.
Ursache für die Feldverstärkung, die um so größer ist, je stärker die Krümmung der Oberfläche der Metallteilchen ist, sind Kollektivschwingungen der Leitungsbandelektronen dieser Metallteilchen, sogenannte Oberflächenplasmonen. Bringt man nun Fluorophore in die Nähe – etwa in einen Abstand, der dem doppelten der Molekülgröße entspricht – dieser Metallteilchen, so werden sie als Folge der Feldverstärkung durch das Plasmonenfeld zu verstärkter Absorption und folgender Emission von Fluoreszenzphotonen angeregt.reason for the Field enhancement, which is the bigger the stronger the curvature the surface of the Metal particles are, are collective vibrations of the conduction band electrons of these metal particles, so-called surface plasmons. If you bring now fluorophores in the vicinity - about in a distance that is twice the molecular size - these metal particles, they become as a result of field enhancement by the plasmon field too strong Absorption and subsequent emission of fluorescence photons excited.
Dieser
Effekt wird z. B. in der Schrift
In einer Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft (PRI B12/C7/T6/2003 (21), ISSN 0170-4656) vom 27. März 2003 wird eine mögliche Kombination der Anregung von Oberflächenplasmonen mit der Fluoreszenzmikroskopie in bezug auf Anwendungen für biospezifische Sensorchips beschrieben: Ein Glasträger wird mit einer ca. 50 nm dicken Goldschicht überzogen, auf diese wird eine ca. 100 nm dicke Interaktionsschicht aus Thiol und einem Protein aufgebracht. Letzteres dient als Matrix, an die DNS-Stränge mit einer Köderfunktion für mit Farbstoff markierte Target-Sequenzen andocken können. Der Aufbau dieser Anordnung ist sehr kompliziert und ihr Einsatzgebiet eng begrenzt. Auch ist sie kaum vor äußeren chemischen oder mechanischen Einflüssen geschützt. Zudem werden in der ausgedehnten flächigen Goldschicht Oberflächenplasmonen nur erzeugt, wenn die Schicht mit Licht unter einem zur Totalreflexion führenden Winkel beleuchtet wird.In a press release of the Max Planck Society (PRI B12 / C7 / T6 / 2003 (21), ISSN 0170-4656) of March 27 2003 will be a possible Combination of excitation of surface plasmons with fluorescence microscopy in terms of applications for biospecific sensor chips described: A glass carrier is coated with a 50 nm thick layer of gold, this is a about 100 nm thick interaction layer of thiol and a protein applied. The latter serves as a matrix to the DNA strands with a bait function for with dye can dock labeled target sequences. The structure of this arrangement is very complicated and their application is limited. She is too hardly before external chemical or mechanical influences protected. In addition, surface plasmons are formed in the extensive areal gold layer only generated when the layer with light under one for total reflection leading Angle is illuminated.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen fluoreszenzverstärkenden Objektträger für fluoreszenzbasierte Analysegeräte zu entwickeln, bei dem die Fluoreszenz gegenüber herkömmlichen Objektträgern verstärkt wird.Of the The invention is therefore based on the object, a fluorescence-enhancing slides for fluorescence-based analyzers to develop in which the fluorescence is enhanced compared to conventional slides.
Diese Aufgabe wird durch einen Objektträger gelöst, welcher ein dielektrisches Substrat mit einer Oberfläche und eine auf der Oberfläche aufgebrachte dielektrische Schicht umfaßt, wobei in der Schicht eine Vielzahl von Metallteilchen enthalten sind. Auf diese Weise wird die Fluoreszenz von mit Fluorophoren markierten Proben verstärkt. Die Fluorophore sind dabei nicht in der Schicht enthalten. Die Einfallsrichtung des Lichtes ist dabei nicht entscheidend für die Erzeugung von Oberflächenplasmonen, welche die Ursache für die Fluoreszenzverstärkung sind.This object is achieved by a slide comprising a dielectric substrate having a surface and a dielectric layer applied to the surface, wherein the layer contains a plurality of metal particles. In this way the fluorescence of samples labeled with fluorophores is enhanced. The fluorophores are not included in the layer. The direction of incidence of the light is not critical for the generation of surface plasmons, which are the cause of the fluorescence enhancement.
Eine gute Fluoreszenzverstärkung erhält man, wenn die Dimensionen eines jeden Metallteilchens in jeder Raumrichtung 200 nm nicht überschreiten, beste Ergebnisse werden für Ausdehnungen zwischen 20 und 80 nm erzielt. Das Absorptionsspektrum der Metallteilchen überlappt sich bei diesen Dimensionen mit den spezifischen Absorptions- und Emissionslinien der meisten Fluorophore. Die Metallteilchen können alle möglichen Formen annehmen, z. B. kugelförmig oder quaderförmig ausgebildet sein, bevorzugt weisen sie jedoch die Form von Ellipsoiden mit einem Achsenverhältnis zwischen 1 : 2 und 1 : 5 auf. An den langen Enden der Ellipsoide ist die Krümmung besonders hoch, die Fluoreszenzverstärkung fällt daher in der Nähe besonders stark aus.A good fluorescence enhancement you get, if the dimensions of each metal particle in each spatial direction Do not exceed 200 nm, best results will be for Extents between 20 and 80 nm achieved. The absorption spectrum the metal particles overlap in these dimensions with the specific absorption and emission lines most fluorophores. The metal particles can take all possible forms, eg. B. spherical or cuboid However, they are preferably in the form of ellipsoids with an axis ratio between 1: 2 and 1: 5. At the long ends of the ellipsoids is the curvature particularly high, the fluorescence enhancement is therefore particularly close in the vicinity strong.
Als Material für die Metallteilchen ist vorzugsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium vorgesehen. In Frage kommt auch eine Legierung, die wenigstens eines dieser Metalle zu 50% enthält. Die Metallteilchen können beispielsweise auf das Substrat aufgedampft oder mittels Sputtern aufgebracht werden. Dabei können auch Selbstorganisationsmechanismen, die zur Inselbildung führen, ausgenutzt werden.When Material for the metal particles are preferably gold, silver, copper or aluminum intended. In question is also an alloy that at least one contains these metals to 50%. The metal particles can For example, vapor-deposited on the substrate or by sputtering be applied. It can also self-organizing mechanisms that lead to island formation, be exploited.
Das Substrat selbst muß dielektrische Eigenschaften besitzen. Vorzugsweise ist als Material für das Substrat Glas, Silizium oder ein Polymer vorgesehen.The Substrate itself must be dielectric Own properties. Preferably, as the material for the substrate Glass, silicon or a polymer provided.
Die Schicht weist oberhalb der Metallteilchen zweckmäßig eine Dicke zwischen 1 nm und 10 nm, bevorzugt von 2 nm auf, dies entspricht etwa dem doppelten Moleküldurchmesser eines Fluorophores. Kommen die Fluorophore zu nah an die Oberfläche der Metallteilchen heran, so sinkt der fluoreszenzstärkende Effekt, gleiches gilt bei zu großer Entfernung von der Oberfläche der Metallteilchen.The Layer has above the metal particles expediently a thickness between 1 nm and 10 nm, preferably 2 nm, which is about twice that Molecular diameter a fluorophore. Are the fluorophores too close to the surface of the Metal particles approach, so decreases the fluorescence-enhancing effect, the same applies too big Distance from the surface the metal particles.
Die Metallteilchen können einerseits vollständig von der Schicht umschlossen sein oder aber auch teilweise mit der Oberfläche des Substrates in Kontakt stehen, dies hängt von der Art der Schicht sowie der Art des Aufbringens ab. Bringt man beispielsweise erst die Metallteilchen auf die Oberfläche und überzieht diese anschließend mit der Schicht, so werden die Metallteilchen immer mit der Oberfläche des Substrates in Kontakt stehen.The Metal particles can on the one hand completely be enclosed by the layer or partially with the surface Depending on the type of layer as well as the type of application. For example, if you bring the metal particles first on the surface and covers this afterwards with the layer, so the metal particles are always with the surface of the Substrates are in contact.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberfläche des Substrates plan, dies ermöglicht eine einfachere Herstellung des Objektträgers.In an expedient embodiment The invention is the surface the substrate plan, this allows a simpler preparation of the slide.
In einer anderen zweckmäßigen Ausführung weist die Oberfläche des Substrates zueinander parallele, stegförmige Erhebungen auf und zwischen diesen Zwischenräume. Diese Strukturen können beispielsweise durch Ätzen, Prägen, Spritzprägen oder Spritzgießen erzeugt werden, der Abstand zwischen den Erhebungen ist frei wählbar und keinen Beschränkungen unterworfen.In another expedient embodiment the surface of the substrate parallel to each other, web-like elevations on and between them Interspaces. These structures can be, for example by etching, Shape, Injection molding or injection molding be generated, the distance between the surveys is arbitrary and no restrictions subjected.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind nur oder überwiegend über den stegförmigen Erhebungen Metallteilchen in der Schicht enthalten. Erreichen läßt sich dies beispielsweise durch schräges Bedampfen, hier werden hauptsächlich die stegförmigen Erhebungen mit Metallteilchen versehen. Diese Erhebungen geben auch Größe und Form der Metallteilchen vor. Auf diese Weise kann eine einheitliche Größe von Metallteilchen hergestellt werden. Bei der Verwendung von Erhebungen verschiedener Breite können auch mehrere diskrete Metallteilchengrößen hergestellt werden. Der wesentliche Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß die Größen der Metallteilchen genau auf die Absorptionsmaxima bestimmter Fluorophore abgestimmt werden können.In A preferred embodiment of the invention are only or predominantly on the strutlike Elevations contain metal particles in the layer. Can be reached for example, by oblique Steaming, here are mainly the bar-shaped Elevations provided with metal particles. These surveys also give Size and shape of the Metal particles in front. This allows a uniform size of metal particles getting produced. When using surveys of various Width can also several discrete metal particle sizes are produced. Of the The essential advantage of this embodiment is that the sizes of the Metal particles exactly on the absorption maxima of certain fluorophores can be matched.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind nur in den Zwischenräumen Metallteilchen in der Schicht enthalten.In another embodiment of the invention are only in the interstices of metal particles in the layer included.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Schicht nur in den Zwischenräumen aufgebracht. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für die Verwendung zur Herstellung von fluoreszenzbasierten, biospezifischen Sensorchips vorteilhaft, da auf diese Weise definiert voneinander getrennte Bereiche auf den Objektträger hergestellt werden können. Dabei kann es zweckmäßig sein, statt einer Anordnung mit zueinander parallelen stegförmigen Erhebungen beispielsweise auch eine gitter- oder wabenförmige Struktur für die Erhebungen vorzusehen.In According to a further embodiment of the invention, the layer is only in the gaps applied. This embodiment is particularly for use for the production of fluorescence-based, biospecific sensor chips advantageous because defined in this way from each other Areas on the slide can be produced. It may be appropriate instead of an arrangement with mutually parallel ridge-shaped elevations For example, a grid or honeycomb structure for the surveys provided.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schicht als für eine Vielzahl biologischer Moleküle durchlässige Polymermatrix ausgestaltet, beispielsweise als Dextran-Matrix. Diese Ausgestaltung ist besonders im Hinblick auf die Verwendung zur Herstellung fluoreszenzbasierter, biospezifischer Sensorchips vorteilhaft, da sehr viele Metallteilchen und biologische Moleküle in die Dextran-Matrix eingebettet werden können. Das Fluoreszenzsignal wird dadurch wesentlich erhöht.In In a preferred embodiment of the invention, the layer is as for one Variety of biological molecules permeable Polymer matrix configured, for example as a dextran matrix. These Design is particularly with regard to the use for the production fluorescence-based, biospecific sensor chips advantageous because many metal particles and biological molecules embedded in the dextran matrix can be. The fluorescence signal is thereby significantly increased.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schicht als Schutzschicht ausgestaltet, so daß die Metallteilchen vor äußeren chemischen und mechanischen Einflüssen, wie beispielsweise Spülen oder Reiben, geschützt sind. Dies ist nur möglich, da die Fluorophore nicht in die Schicht eingebettet sind. Bevorzugte dielektrische, d.h. isolierende Materialien sind Siliziumoxidverbindungen, wie beispielsweise SiO2, oder Siliziumnitridverbindungen, wie beispielsweise Si3N4. Diese sind chemisch und mechanisch sehr widerstandsfähig. Auch Polymere, d.h. Kunststoffe, kommen als Schutzschicht in Frage. Verwendet man eine Schutzschicht aus einer Siliziumverbindung, so kann diese beispielsweise durch Verdampfen oder Sputtern aufgebracht werden. Dem mit einer solchen Schutzschicht versehene Objektträger steht ein breites Einsatzgebiet offen, er be sitzt eine hohe Stabilität gegenüber äußeren chemischen und mechanischen Einflüssen.In another preferred embodiment of the invention, the layer is designed as a protective layer, so that the metal particles are protected from external chemical and mechanical influences, such as rinsing or rubbing. This is only possible because the fluorophores are not embedded in the layer. Preferred dielectric, ie, insulating materials are silicon oxide compounds such as SiO 2 or silicon nitride compounds such as Si 3 N 4 . These are chemically and mechanically very resistant. Even polymers, ie plastics, come as a protective layer in question. If a protective layer of a silicon compound is used, it can be applied, for example, by evaporation or sputtering. The provided with such a protective layer slide is open to a wide range of applications, he be sitting high stability to external chemical and mechanical influences.
Zur Verbesserung der Anbindung von Biomolekülen ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Schicht an ihrer Oberfläche chemisch funktionalisiert, beispielsweise mit Epoxy-, Amino- oder Aldehydgruppen.to Improvement of the binding of biomolecules is in a further embodiment the invention chemically functionalizes the layer on its surface, for example, with epoxy, amino or aldehyde groups.
Die Erfindung soll im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigenThe Invention will be explained in more detail below in some embodiments. In the corresponding Drawings show
In
In
In
In
der in
In
- 11
- Substratsubstratum
- 22
- Metallteilchenmetal
- 33
- Schutzschichtprotective layer
- 44
- Erhebungensurveys
- 55
- Zwischenräumeinterspaces
- 66
- Polymermatrixpolymer matrix
- D1, ..., D6D1, ..., D6
- Arealeareas
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